다이아몬드 결정에서 개별 전자 및 핵 스핀을 처리하는 기술이 일본의 연구원에 의해 개발되었습니다. 이 계획은 광학 및 마이크로파 프로세스를 결합하고 양자 정보의 저장 및 처리를 위한 대규모 시스템의 생성으로 이어질 수 있습니다.
일부 고체 상태 결정의 전자 및 핵 스핀은 대규모 양자 컴퓨터 및 메모리를 위한 유망한 플랫폼입니다. 이러한 스핀은 실온에서 로컬 환경과 약하게 상호 작용하므로 매우 오랫동안 양자 정보를 저장하는 양자 비트(큐비트)로 작동할 수 있습니다. 또한 이러한 스핀은 큰 손실 없이 제어할 수 있습니다. 일반적으로 스핀은 광학 빛과 마이크로파 모두에 반응합니다. 광학 조명은 파장이 더 짧기 때문에 개별 스핀을 처리할 때 공간 정밀도에 좋습니다. 반면에 더 긴 마이크로파는 공간 분해능이 없는 대신 결정의 모든 스핀을 보다 충실하게 제어합니다.
지금, 코사카 히데오 일본 Yokohama National University의 동료들은 광학 및 마이크로파 제어의 장점을 결합한 개별 스핀을 처리하는 방법을 개발했습니다. 그들은 마이크로파를 사용하여 광학 빛을 사용하여 다이아몬드의 개별 스핀을 정확하게 "스포트라이트"함으로써 제어했습니다. 그들은 정보 처리를 위한 위치 선택 작업을 시연했으며 정보 전송을 위한 전자 스핀과 핵 스핀 사이의 얽힘을 생성했습니다.
다이아몬드 NV 센터
스핀을 위해 팀은 다이아몬드 결정에 질소-공백(NV) 중심을 사용했습니다. 이것은 다이아몬드 격자에서 두 개의 인접한 탄소 원자가 질소 원자와 빈 자리로 대체될 때 발생합니다. NV 센터의 바닥 상태는 정보를 인코딩하는 큐비트로 사용할 수 있는 스핀-1 전자 시스템입니다.
계산을 수행하려면 제어된 방식으로 큐비트의 스핀 상태를 변경할 수 있어야 합니다. 단일 큐비트의 경우 이를 수행하기 위해 XNUMX개의 기본 연산 세트를 갖는 것으로 충분합니다. 이들은 항등 연산과 Bloch 구의 세 축을 중심으로 상태를 회전시키는 Pauli X, Y, Z 게이트입니다.
범용 홀로노믹 게이트
이러한 작업은 동적 진화를 사용하여 구현할 수 있습니다. 여기서 XNUMX레벨 시스템은 큐비트를 원하는 상태로 "회전"하기 위한 전환과 함께 공진 또는 그 근처의 필드에 의해 구동됩니다. 또 다른 방법은 홀로노믹 게이트를 구현하는 것인데, 더 큰 기반에서 상태의 위상이 변경되어 XNUMX레벨 큐비트 부분 공간에 원하는 게이트의 영향을 줍니다. 동적 진화와 비교하여 이 방법은 획득한 위상이 더 큰 상태의 정확한 진화 경로에 의존하지 않기 때문에 결맞음 메커니즘에 더 강력한 것으로 간주됩니다.
이 최신 연구에서 Kosaka와 동료들은 먼저 특정 NV 센터에 레이저를 집중하여 기술의 부위 선택성을 보여줍니다. 이것은 전체 시스템이 올바른 주파수의 마이크로파에 의해 구동될 때 다른 사이트가 응답하지 않도록 해당 사이트의 전환 주파수를 변경합니다. 이 기술을 사용하여 팀은 마이크로파에 의해 조명되는 훨씬 더 큰 영역이 아닌 수백 나노미터의 영역에 집중할 수 있었습니다.
이러한 방식으로 사이트를 선택함으로써 연구원들은 우수한 충실도(90% 이상)로 Pauli-X, Y 및 Z 홀로노믹 게이트 작업을 구현할 수 있음을 보여주었습니다. 게이트 충실도는 구현된 게이트의 성능이 이상적인 게이트에 얼마나 가까운지를 측정한 것입니다. 그들은 프로토콜을 전력의 불균일성에 견고하게 만드는 위상을 뒤집는 마이크로파 펄스를 사용합니다. 그들은 또한 비슷한 시간이 걸리는 게이트 작업 후에도 약 3ms의 스핀 일관성 시간이 유지됨을 보여줍니다.
양자 메모리 및 네트워크
전자 스핀 상태 외에도 NV 센터에는 질소 핵과 관련된 접근 가능한 핵 스핀 상태가 있습니다. 실온에서도 이러한 상태는 환경과 격리되어 있기 때문에 매우 오래 지속됩니다. 결과적으로 NV 중심의 핵 스핀 상태는 양자 정보를 장기간 저장하기 위한 양자 메모리로 사용할 수 있습니다. 이것은 열 잡음을 극복하기 위해 서브 밀리켈빈 온도에 있어야 하고 환경과의 상호 작용으로 인한 결맞음에 더 민감한 초전도 회로를 기반으로 하는 큐비트와 다릅니다.
고해상도 다이아몬드 센서는 심장의 전류를 매핑합니다.
Kosaka와 동료들은 또한 NV 센터에서 전자 스핀과 핵 스핀 사이의 얽힘을 생성할 수 있었습니다. 이것은 입사 광자에서 NV 센터의 전자 스핀으로 양자 정보를 전송한 다음 핵 스핀 양자 메모리로 전송할 수 있습니다. 이러한 기능은 양자 네트워크에서 동일하거나 다른 시스템의 큐비트 간에 정보를 전송하는 데 광자를 사용할 수 있는 분산 처리에 중요합니다.
글쓰기 자연 Photonics, 연구원들은 광학 주소 지정 프로세스를 수정하면 공간 해상도를 개선하고 여러 NV 센터 간의 일관된 상호 작용을 사용할 수 있어야 한다고 말합니다. 몇 가지 다른 기술을 결합하면 "10,000×10×10 µm에서 10개 이상의 큐비트에 대한 선택적 액세스가 가능합니다.3 볼륨, 대규모 양자 스토리지로의 길을 닦다". Kosaka는 그의 그룹이 현재 두 개의 인접한 NV 센터를 사용하여 두 개의 큐비트 게이트를 만드는 어려운 작업을 수행하고 있다고 말합니다.
